瑪湖凹陷北斜坡百口泉組碳酸鹽膠結(jié)物形成機(jī)理及其地質(zhì)意義

呂煥澤，鄒妞妞，蔡寧寧，黃永志，寧詩坦，朱彪

（貴州大學(xué)a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025）

瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷西北部，是盆地六大生烴凹陷之一，也是最有利的油氣產(chǎn)區(qū)[1-3]，近些年勘探發(fā)現(xiàn)了億噸級規(guī)模的巖性油藏[4]?，敽枷菹氯B統(tǒng)百口泉組發(fā)育典型的砂礫巖儲集層，前人對百口泉組的研究主要圍繞儲集層沉積模式[5-7]、物性特征[8-9]、成巖作用及孔隙演化特征[10-13]等方面，并取得了豐富的成果。研究區(qū)百口泉組砂礫巖儲集層非均質(zhì)性強(qiáng)，具有成分成熟度低和結(jié)構(gòu)成熟度低的特點(diǎn)，物性整體以低孔低滲為主，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制約儲集層物性的因素主要為沉積環(huán)境和成巖作用[14-15]。碳酸鹽膠結(jié)物是研究區(qū)百口泉組發(fā)育較廣泛的一種自生礦物，對百口泉組儲集層的非均質(zhì)性有較大影響。碳酸鹽膠結(jié)物被溶蝕產(chǎn)生的次生孔隙是百口泉組儲集層的主要儲集空間類型[16-17]，為油氣聚集提供了條件。本文基于前人研究，通過巖心觀察、巖石薄片鑒定、碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素分析等手段，結(jié)合瑪19 井儲集層孔隙的定量表征，探討了瑪湖凹陷北斜坡百口泉組儲集層物性及碳酸鹽膠結(jié)物的形成機(jī)理。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

瑪湖凹陷北斜坡三疊系從下往上依次為百口泉組（T1b）、克拉瑪依組（T2k）以及白堿灘組（T3b），目的層百口泉組從下至上又可細(xì)分為百一段（T1b1）、百二段(T1b2)和百三段(T1b3)，百口泉組與下伏二疊系呈不整合接觸。研究區(qū)沉積物源主要為夏子街扇體[18]，百口泉組主要為扇三角洲沉積[1，19]，并呈現(xiàn)出扇三角洲平原—扇三角洲前緣—前扇三角洲的水進(jìn)沉積特點(diǎn)。研究區(qū)百口泉組厚度為100～200 m，底部發(fā)育厚層泥巖和砂礫巖（圖1），中部主要為灰綠色、灰色厚層塊狀砂礫巖，頂部以褐色泥巖夾灰色砂礫巖為主[8]；瑪19井百二段和百三段以礫巖、砂礫巖和泥巖為主，百二段至百三段顏色從灰綠色、灰色過渡到以褐色為主，巖性由礫巖—砂礫巖—粗砂巖—細(xì)砂巖逐漸變細(xì)，且以粗砂巖和細(xì)礫巖為主；礫石堆積緊密，分選性差，粒徑為2～40 mm；儲集空間以剩余粒間孔和次生孔隙為主，多見粒內(nèi)溶孔，總體表現(xiàn)為低孔低滲的特點(diǎn)。

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

對準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷北斜坡瑪19 井百二段及百三段進(jìn)行巖心觀察及巖石薄片鑒定，共選取15 個(gè)樣品，制作巖石薄片，在偏光顯微鏡下進(jìn)行礦物學(xué)和巖石學(xué)分析，初步判斷巖石的結(jié)構(gòu)、成分、顆粒接觸關(guān)系以及成巖序列，并進(jìn)一步利用茜素紅和鐵氰化鉀混合配制染色液，對巖石薄片進(jìn)行染色，來區(qū)分不同類型的碳酸鹽膠結(jié)物。方解石與染色液反應(yīng)后呈桔紅色，鐵方解石呈紫紅色或深紅色，含鐵方解石為紫紅色，鐵白云石為亮藍(lán)色。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素的測定。本次實(shí)驗(yàn)所使用的標(biāo)樣為NBS-18，其δ13CPDB和δ18OPDB分別為-5.01‰和-23.00‰，測定結(jié)果均以PDB標(biāo)準(zhǔn)給出，精度為±0.2‰。

3 結(jié)果與討論

3.1 巖石學(xué)特征

觀察瑪湖凹陷北斜坡瑪19 井樣品發(fā)現(xiàn)，百二段和百三段主要為石英巖屑粗砂巖及石英巖屑細(xì)礫巖，石英含量為30%～35%，呈他形—半自形，磨圓較差，主要為次棱角狀；長石含量為5%～10%，巖屑含量為50%～65%，主要為次棱角狀；巖屑成分主要為變質(zhì)石英、燧石（玉髓質(zhì)燧石）等硅質(zhì)巖屑，總體為次圓狀，部分硅質(zhì)巖屑中可見石英脈體，其成因可能與熱液有關(guān)。砂巖主要為粗粒結(jié)構(gòu)，少量為中粒結(jié)構(gòu)，礫巖主要為細(xì)粒結(jié)構(gòu)，部分為中粒結(jié)構(gòu)，研究區(qū)砂礫巖主要呈顆粒支撐和孔隙式膠結(jié)。早期壓實(shí)程度較高，接觸關(guān)系主要為線接觸及點(diǎn)—線接觸，可見碎屑顆粒壓裂現(xiàn)象及顆粒接觸間的港灣狀壓溶線；碎屑顆粒分選性差，大小不一，粒序變化明顯，體現(xiàn)了水動力作用的變化。

3.2 成巖作用特征

瑪湖凹陷北斜坡巖石經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖作用，顆粒之間基本呈線接觸和點(diǎn)—線接觸（圖2a、圖2b），可見碎屑顆粒接觸處存在港灣狀壓溶線及碎屑顆粒的碎裂現(xiàn)象（圖2b），均表明研究區(qū)早期經(jīng)歷了強(qiáng)烈的壓實(shí)作用；百口泉組中膠結(jié)現(xiàn)象普遍存在，砂礫巖中以碳酸鹽膠結(jié)物為主，并含有少量硅質(zhì)膠結(jié)物，局部可見網(wǎng)狀黏土礦物充填于粒間孔隙中（圖2b）；碎屑顆粒中可見溶蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生的溶蝕孔隙被膠結(jié)物充填（圖2c、圖2d）。根據(jù)碳酸鹽膠結(jié)物的賦存狀態(tài)、成分及形成先后次序，可將碳酸鹽膠結(jié)物分為3期。第Ⅰ期膠結(jié)物以方解石為主（圖2e），主要呈泥晶狀產(chǎn)出，該期膠結(jié)物從孔隙水中形成，碳酸鹽溶解在常溫常壓下的孔隙水中，過飽和而析出，呈基底式膠結(jié)，表明膠結(jié)物形成于壓實(shí)作用之前，增強(qiáng)了巖石的抗壓強(qiáng)度。第Ⅱ期膠結(jié)物主要為鐵方解石（圖2f），該期膠結(jié)物的特點(diǎn)是呈分散狀充填于孔隙之中，為孔隙式膠結(jié)，顆粒之間呈線接觸，表明該期膠結(jié)物形成于壓實(shí)作用之后。第Ⅲ期膠結(jié)物為鐵白云石（圖2g、圖2h），鐵白云石和瀝青質(zhì)充填于孔隙之中（圖2i），表明該期膠結(jié)物形成于油氣充注之后，為晚期膠結(jié)物。溶蝕作用后期，有機(jī)酸不斷被消耗，導(dǎo)致水中CO2的分壓增高，且伴隨著深埋藏、高溫、高壓、缺氧等條件，游離的Mg2+、Ca2+、結(jié)合，生成鐵方解石和鐵白云石，其極易占據(jù)長石溶解產(chǎn)生的次生孔隙，因此，晚期的膠結(jié)物一般會對儲集層物性造成負(fù)面影響。

3.3 碳氧同位素特征及成因分析

3.3.1 碳氧同位素測定結(jié)果

研究區(qū)15 個(gè)樣品的碳氧同位素測定結(jié)果顯示，δ13CPDB為-47.23‰～3.88‰，平均為-17.59‰，極差為51.11‰，變化范圍大，部分樣品δ13CPDB嚴(yán)重偏負(fù)，僅3個(gè)樣品的δ13CPDB偏正；δ18OPDB為-23.64‰～-17.98‰，平均為-20.89‰，極差為5.66‰，變化范圍較小，δ18OPDB總 體呈現(xiàn)嚴(yán)重偏負(fù)的特征（表1）。

表1 瑪19井百口泉組碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素比值特征Table 1.Carbon and oxygen isotope ratios of carbonate cements of Baikouquan formation in Well Ma-19

3.3.2 古鹽度、古溫度及物質(zhì)來源

氧同位素PDB標(biāo)準(zhǔn)與SMOW標(biāo)準(zhǔn)換算公式[20]：

據(jù)Keith 等[21]提出的區(qū)分海相石灰?guī)r與淡水石灰?guī)r的公式來論證碳氧同位素與古鹽度之間的關(guān)系：

式中 Z——古鹽度。

當(dāng)古鹽度大于120 時(shí)，為海相石灰?guī)r；當(dāng)古鹽度為120 時(shí)，為未定型石灰?guī)r；當(dāng)古鹽度小于120 時(shí)，為淡水石灰?guī)r。研究區(qū)古鹽度為19.79～124.06，平均為80.87（表1），研究區(qū)大部分樣品古鹽度小于120，表明百二段和百三段儲集層大部分碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)主要受淡水淋濾影響，百二段3 個(gè)樣品古鹽度略微大于120，推測百二段儲集層碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)可能受海水作用影響。

碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)的流體溫度對δ18O 影響較大，沉積環(huán)境中流體溫度的增高會導(dǎo)致δ18O 偏負(fù)，因此δ18O能較好地指示古溫度的變化。本文通過以下3個(gè)公式分別計(jì)算流體古溫度，再取平均作為碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)的古溫度[22-24]：

式中T1——文獻(xiàn)［22］中公式計(jì)算的碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)的流體古溫度，℃；

T2——文獻(xiàn)［23］中公式計(jì)算的碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)的流體古溫度，℃；

T3——文獻(xiàn)［24］中公式計(jì)算的碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)的流體古溫度，℃；

δc——樣品中碳酸鹽膠結(jié)物的δ18OPDB，‰；

δω——碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)海水的δ18OSMOW，‰，本文為0。

據(jù)研究區(qū)15個(gè)樣品碳氧同位素測定結(jié)果，計(jì)算得古溫度為111.83～146.75 ℃（表1），平均為129.62 ℃，主要分布在130～140 ℃，說明研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物形成于較高溫度的深埋藏地層。綜上所述，研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物主要形成于低鹽度、深埋藏的高溫流體環(huán)境中（圖3），為中成巖階段A期。

據(jù)前人研究可知，不同碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素比值可能指示不同的形成環(huán)境[26-28]，海相碳酸鹽巖的δ13C 一般分布在-2‰～2‰，湖相原生碳酸鹽巖的δ13C 為-2‰～6‰，受大氣淡水影響的碳酸鹽巖的δ13C為-5‰～-1‰，有機(jī)質(zhì)熱解脫羧導(dǎo)致流體性質(zhì)變化的δ13C 為-35‰～-4‰。前人研究表明，百口泉組沉積以后，瑪湖凹陷共經(jīng)歷了3 期油氣充注，分別處于晚三疊世末、早侏羅世以及早白堊世3 個(gè)時(shí)期[26,29-30]，后2期的均一溫度分別為70～90 ℃和100～120 ℃[29]，研究區(qū)古溫度高于第二期油氣充注時(shí)的均一溫度，部分樣品古溫度處于第三期油氣充注的溫度區(qū)間，可見碳酸鹽膠結(jié)物形成于油氣充注之后或與油氣充注同時(shí)，在巖石手標(biāo)本中可見油浸，巖石薄片中有瀝青質(zhì)，因此，有機(jī)質(zhì)提供的碳是研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物碳來源的主要方式。百二段碳同位素比值分布復(fù)雜，可能是多種成因共同作用而成，因此判斷碳酸鹽膠結(jié)物的碳來源時(shí)要綜合分析膠結(jié)物形成條件和反應(yīng)機(jī)制[31]。通過δ18OPDB與δ13CPDB圖版[32]分析碳酸鹽膠結(jié)物的成因（圖4），并劃分出3 種成因碳酸鹽：成巖碳酸鹽，該類碳酸鹽膠結(jié)物受沉積成巖作用影響；與生物氣有關(guān)的碳酸鹽，該類碳酸鹽在形成時(shí)有生物氣的參與，碳同位素比值偏正是其顯著特點(diǎn)；與有機(jī)酸脫羧作用有關(guān)的碳酸鹽。百二段部分樣品屬于與有機(jī)酸脫羧作用有關(guān)的碳酸鹽，說明由有機(jī)質(zhì)提供的碳是百二段碳酸鹽膠結(jié)物碳的來源之一，而M19-2樣品δ13CPDB為-47.23‰，呈現(xiàn)極度強(qiáng)烈的負(fù)偏移，天然氣中甲烷的δ13CPDB為-47.83‰～-43.54‰[33]，推斷該樣品碳酸鹽膠結(jié)物中的碳可能是由甲烷氧化生成的CO2來提供；百二段3 個(gè)δ13CPDB偏正的樣品屬于與生物氣有關(guān)的碳酸鹽，但導(dǎo)致δ13CPDB偏正的原因并不僅是微生物成因，而可能是微生物成因、深部熱液流體作用、湖相碳酸鹽巖溶解作用等多種成因[28,31,34]。微生物活躍溫度的最大臨界值僅為70 ℃[31]，遠(yuǎn)低于研究區(qū)的古溫度，且沒有屬于成巖碳酸鹽的樣品，因此排除微生物成因和湖相碳酸鹽巖的溶解作用造成的δ13CPDB偏正。研究區(qū)位于瑪湖凹陷北斜坡，且與克百斷裂帶和烏夏斷裂帶毗鄰，瑪湖凹陷淺埋藏地層經(jīng)歷印支運(yùn)動期—燕山運(yùn)動期—喜馬拉雅運(yùn)動期構(gòu)造運(yùn)動，形成一系列逆斷層[35]，且致使深埋藏地層相繼形成新的斷裂，從深部至淺部地層得益于這些斷裂形成的輸導(dǎo)系統(tǒng)，為深部熱液流體及油氣提供了良好的運(yùn)移通道，這些流體在運(yùn)移過程中伴隨流體-巖石反應(yīng)，留下了作用痕跡。研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物的形成溫度平均高達(dá)129.62 ℃，推測有深部熱液流體通過輸導(dǎo)系統(tǒng)到達(dá)目的層，導(dǎo)致δ13CPDB偏正。還有部分樣品的δ13C 相對較重，處于大氣淡水影響的碳酸鹽范圍內(nèi)，說明百二段在沉積過程中可能受大氣淡水淋濾作用的影響。綜合來看，研究區(qū)的碳酸鹽膠結(jié)物成因較為復(fù)雜，處于一個(gè)較為開放的沉積環(huán)境中，其碳氧同位素特征可能是由多種流體混合作用造成的結(jié)果。

研究區(qū)氧同位素比值多為負(fù)值，可能指示碳酸鹽膠結(jié)物形成于溫度較高的流體中，其形成可能與受斷裂帶控制的深部熱液流體有關(guān)[28,34,36]。準(zhǔn)噶爾盆地石炭系—二疊系方解石脈部分樣品碳氧同位素比值偏負(fù)，其原因?yàn)槭茱L(fēng)城斷裂控制，深部熱液流體沿運(yùn)移通道流動，且原油充注過程中伴隨著熱液流體[28]。本文樣品取自深度大于3 400 m 的儲集層，碳氧同位素與深度之間沒有明顯的相關(guān)性。研究區(qū)碳氧同位素主要受深部熱液流體及油氣流體混合作用影響（圖5），且研究區(qū)毗鄰克百斷裂帶及烏夏斷裂帶組成的巨大逆掩斷裂帶，受斷裂帶控制，深部熱液流體通過運(yùn)移通道到達(dá)百口泉組，并致使地層流體溫度升高，進(jìn)而發(fā)生流體-巖石反應(yīng)，導(dǎo)致同位素交換，呈現(xiàn)出氧同位素比值偏負(fù)的特點(diǎn)。

4 地質(zhì)意義

4.1 碳酸鹽膠結(jié)物與儲集層物性關(guān)系

瑪19 井百口泉組儲集層物性較差，孔隙度為6.2%～11.5%，平均為9.7%，滲透率為0.030～1.690 mD，平均為0.530 mD，屬于低孔低滲儲集層（表2），儲集層滲透率與孔隙度相關(guān)性差（圖6），受成巖作用影響，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜。百二段平均孔隙度為9.9%，百三段平均孔隙度為9.3%，從百三段至百二段，埋藏深度逐漸增大，平均孔隙度呈增大的趨勢，可能受成巖作用的影響。百二段平均滲透率為0.630 mD，百三段平均滲透率為0.270 mD，隨著埋深的增大，儲集層平均滲透率略微增大，說明在成巖過程中發(fā)育有次生孔隙，推測次生孔隙的發(fā)育主要是由于油氣的注入，成巖環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝?，碳酸鹽膠結(jié)物與酸性流體介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并被溶蝕，從而產(chǎn)生了次生孔隙。綜合分析認(rèn)為，瑪19 井百口泉組儲集層非均質(zhì)性較強(qiáng)，成巖作用是導(dǎo)致儲集層非均質(zhì)性強(qiáng)的重要因素。宏觀角度來看，淺埋藏地層經(jīng)歷印支運(yùn)動期—燕山運(yùn)動期—喜馬拉雅運(yùn)動期構(gòu)造運(yùn)動，形成了可以溝通深部地層的斷裂通道，深部熱液流體、烴類流體等從深部運(yùn)移到百口泉組，在百三段可見鐵白云石與瀝青質(zhì)共存，推測該期碳酸鹽膠結(jié)物是油氣充注之后，在Fe2+富集的情況下形成[37]，并充填于孔隙之中，從而造成百三段平均孔隙度偏低。微觀層面而言，在深埋藏地層，偏堿性的孔隙水中析出泥晶狀和連晶狀方解石并充填于孔隙之中，一定程度上降低了壓實(shí)作用帶來的減孔效應(yīng)；二疊系風(fēng)城組和下烏爾禾組烴源巖演化形成的有機(jī)酸沿運(yùn)移通道到達(dá)百口泉組，使成巖環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝?，碳酸鹽膠結(jié)物、長石等被溶蝕形成次生孔隙，使儲集層的滲透性提高；隨著成巖階段不斷進(jìn)行，烴類流體注入，游離的Fe2+、Mg2+與CO2-3結(jié)合生成鐵白云石，進(jìn)入致密膠結(jié)段，使儲集層物性降低，從而限制了酸性流體的流動，難以形成次生孔隙。

表2 瑪19井百口泉組物性和含油性Table 2.Physical properties and oil-bearing properties of Baikouquan formation in Well Ma-19

4.2 碳酸鹽膠結(jié)物與儲集層含油性關(guān)系

瑪19井鉆進(jìn)時(shí)，油氣顯示活躍，且發(fā)現(xiàn)異常高壓?，?9 井三疊系百口泉組含油儲集層主要位于百二段和百三段，百口泉組取心3 筒共計(jì)22.93 m，獲油跡級巖心1.54 m、熒光級巖心17.09 m，巖心油氣顯示率高達(dá)81%，測井解釋為油層。綜合判斷百二段3 522.00—3 543.00 m 為油層，百三段3 486.00—3 492.00 m 和3 464.00—3 471.00 m 為油層（圖7）。上文碳氧同位素分析認(rèn)為，百二段和百三段的碳酸鹽膠結(jié)物都形成于富烴類流體的環(huán)境下，且在烴類流體的影響下碳同位素比值嚴(yán)重偏負(fù)，與鉆后分析結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

（1）準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷北斜坡百口泉組主要為石英巖屑粗砂巖及石英巖屑細(xì)礫巖，碎屑顆粒主要呈點(diǎn)—線接觸和線接觸，可見巖石顆粒的碎裂現(xiàn)象，壓實(shí)作用較強(qiáng)。研究區(qū)百口泉組存在3 個(gè)期次的碳酸鹽膠結(jié)物，第Ⅰ期為泥晶方解石，第Ⅱ期為鐵方解石，第Ⅲ期為鐵白云石。

（2）瑪湖凹陷北斜坡百口泉組碳酸鹽膠結(jié)物的δ13CPDB為-47.23‰～3.88‰，平均為-17.59‰，碳同位素比值偏負(fù)主要是受有機(jī)質(zhì)影響，部分碳同位素比值偏正可能是沿通道向上運(yùn)移的深部熱液流體導(dǎo)致；研究區(qū)δ18OPDB為-23.64‰～-17.98‰，平均為-20.89‰，氧同位素比值偏負(fù)可能與深埋藏的高溫環(huán)境有關(guān)；古鹽度為19.79～124.06，平均為80.87，碳酸鹽膠結(jié)物的形成溫度為111.83～146.75 ℃，平均為129.62 ℃，成巖階段為中成巖階段A 期，碳酸鹽膠結(jié)物形成于低鹽度高溫的深埋藏環(huán)境中。

（3）瑪湖凹陷北斜坡瑪19 井百口泉組儲集層孔隙度為6.2%～11.5%，平均為9.7%，滲透率為0.03～1.69 mD，平均為0.53 mD，屬于低孔低滲儲集層；百二段儲集層物性整體較百三段好。其原因是碳酸鹽膠結(jié)物被溶蝕導(dǎo)致次生孔隙發(fā)育，百三段鐵白云石膠結(jié)物充填于孔隙之中，降低了儲集層物性，因此，百二段儲集層物性略好。